(57)【要約】      （修正有）【課題】テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手において、シールノーズ部厚さを変更せずに、シールノーズ部でのシール性を極限まで高めることができる締め付け方法を提案する。【解決手段】特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係をリアルタイムで検出し、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルク増分を回転数増分で除してトルクの傾きを求め、該トルクの傾きを監視しつつ該トルクの傾きが最大値を示し、その後該トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手の締め付け方法であって、前記特殊ねじ継手のショルダー部が雄側のピンの先端部と接触するまで締め付ける際、
前記特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係をリアルタイムで検出し、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルク増分を回転数増分で除してトルクの傾きを求め、該トルクの傾きを監視しつつ該トルクの傾きが最大値を示し、その後該トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の締め付け方法。
【請求項２】
あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを、前記特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに前記特殊ねじ継手のイールド・トルクを超えるまで行い、前記特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに該トルクの傾きの最大値から低下させる所定値を決定しておくことを特徴とする請求項１に記載の油井管用特殊ねじ継手の締め付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管用特殊ねじ継手のシール性を極限まで高めることができる締め付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低深度で開発の容易な油井が減少するとともに、より高深度でかつ高温高圧の油井が増加している。また、傾斜した油井、水平な油井など、より複雑な形状の油井も増加している。これに伴い、シール性を高めた油井管用特殊ねじ継手が開発されている。
油井管用特殊ねじ継手（単に特殊ねじ継手またはカップリングともいう）の構造を図３（ａ）に示した。特殊ねじ継手２は、テーパねじ部３、シール部４およびショルダー部５を有し、そのシール性は、特殊ねじ継手２のシール部４およびショルダー部５が、油井管の管端に形成された雄側のピン１の先端部とメタル−メタル接触するまで締め付けることで達成される（特許文献１、２、３）。
【０００３】
なお、図３（ａ）中、シールノーズ部厚さＨは、シール部４とショルダー部５のそれぞれの部分の半径方向厚みを合計した値であり、特殊ねじ継手２のシール上重要な寸法である。また、ねじ干渉量（＝ｄ１−ｄ２、ｄ１：ピン１のねじ径、ｄ２：カップリング２のねじ径）も特殊ねじ継手２のシール上同様に重要であり、設計上、ねじ干渉量は、＊付き矢印で示した、完全ねじ部の長さ中央付近のねじ径で定義される。
【０００４】
このような構造の特殊ねじ継手は、特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係をリアルタイムで検出しつつ、検出した回転数とトルクの関係に基づき締め付けが実施される。その際、検出した回転数とトルクの関係は一般に図４に示す実線のようになる。すなわち、Ｏ点でねじ干渉が開始し、トルクが直線的に増加するねじ干渉域（ＯＡ間）が現れた後、シール干渉域（ＡＢ間）、次いでショルダー干渉域（ＢＣ間）が現れる。シール干渉域（ＡＢ間）における直線の傾き（＝トルク増分／回転数増分）は、ねじ干渉域（ＯＡ間）よりも大きくなり、また、ショルダー干渉域（ＢＣ間）における直線の傾きは、シール干渉域（ＡＢ間）よりも大きくなるよう、特殊ねじ継手が設計されている。この特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係において、トルク増分を回転数増分で除した値をトルクの傾きという。図４中、Ａ点をシール干渉開始ポイント、Ｂ点をショルダー干渉開始ポイント、Ｃ点をイールド開始ポイントと称す。
【０００５】
ここで、従来法は、検出した回転数とトルクの関係に基づき、締め付け停止位置を、イールド開始ポイントＣ点を超えないショルダー干渉域（ＢＣ間）の中間のオプチマムトルクに設定している。このため、図５に示したように、設計上、ねじ干渉量を増やすことでねじ干渉トルクの増分が大きくなった場合、シールノーズ部におけるシールトルクＴＦ’が、ねじ干渉トルクの増分が小さい場合のシールノーズ部におけるシールトルクＴＦよりも小さくなり、シールノーズ部でのシール性が不十分となることが起こる。また、ねじ干渉トルクの上昇は、ねじ干渉の異常、潤滑剤の劣化、異物混入など予測できない要因でも起こる。なお、シールノーズ部におけるシールトルクＴＦ、ＴＦ’は、シール干渉開始ポイントＡまたはＡ’からオプチマムトルクまでのトルク上昇量に相当する（図５参照）。
【０００６】
ところで、シールノーズ部でのシール性を高める手段としては、オプチマムトルクを上昇する方法、シールノーズ部厚さＨを厚くすることなどが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平6-270072号公報
【特許文献２】特開平7-100773号公報
【特許文献３】特開平2007-232012号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特殊ねじ継手のショルダー部が雄側のピンの先端部と接触するまで締め付ける際、シールノーズ部でのシール性の向上を狙ってオプチマムトルクを単に上昇させた場合には、シールノーズ部で過大な塑性変形が生じ、シールノーズ部でのシール性が不十分となることが起こる危険がある。
また、シールノーズ部でのシール性の向上を狙ってシールノーズ部厚さＨを増加させた場合には、シールノーズ部厚さＨの変更に伴い、油井管の管端の縮径およびそれに続く縮径した管端の応力除去焼きなましを行うなどの追加処理が油井管の製造工程で必要となるという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手において、シールノーズ部厚さを変更せずに、シールノーズ部でのシール性を極限まで高めることができる締め付け方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、あらかじめ、特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを、前記特殊ねじ継手のイールド・トルクを超えるまで行い、シールノーズ部での塑性変形量を把握することで、シールノーズ部でのシール性を極限まで高めることができることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【００１１】
すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手の締め付け方法であって、前記特殊ねじ継手のショルダー部が雄側のピンの先端部と接触するまで締め付ける際、前記特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係をリアルタイムで検出し、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルク増分を回転数増分で除してトルクの傾きを求め、該トルクの傾きを監視しつつ該トルクの傾きが最大値を示し、その後該トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の締め付け方法。
２．あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを、前記特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに前記特殊ねじ継手のイールド・トルクを超えるまで行い、前記特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに該トルクの傾きの最大値から低下させる所定値を決定しておくことを特徴とする上記１．に記載の油井管用特殊ねじ継手の締め付け方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特殊ねじ継手のシールノーズ部でのシール性を極限まで高めることができ、要求トルクが高い場合にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明法による、回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
【図２】有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）による本発明法の解析例を説明する特性図である。
【図３】（ａ）は本発明を適用した特殊ねじ継手の構造を示す要部断面図、（ｂ）は設計上のねじ干渉量を説明する模式図である。
【図４】従来法による、回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
【図５】従来法による、ねじ干渉トルクの増分が大きい場合と小さい場合の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、特殊ねじ継手は、要求トルクに応じて、特殊ねじ継手の材質、寸法および設計上のねじ干渉量（＝ｄ１−ｄ２、ｄ１：ピン１のねじ径、ｄ２：カップリング２のねじ径）を適正に設定する。ピン１のねじ径ｄ１を大きくするケースと、カップリングのねじ径ｄ２を小さくするケースがあるが、ねじ干渉量を同じとすれば、ねじ干渉トルクの増分は同じとなる。
【００１５】
次いで、設計・製作した特殊ねじ継手の材質、寸法ごとにシールノーズ部での塑性変形量を把握することを行ってから、特殊ねじ継手の締め付けを行う。すなわち、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを、特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに特殊ねじ継手のイールド・トルクを超えるまで行い、特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに該トルクの傾きの最大値から低下させる所定値を決定しておく。このトルクの傾きの最大値は、図１に示すように、イールド開始ポイントＣ点の近傍で生じる。ここで、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを、特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに行うのは、トルクの傾きの最大値から低下させる所定値が特殊ねじ継手の材質、寸法ごとに異なるからである。
【００１６】
本発明法は、上記したように特殊ねじ継手の材質、寸法ごとにシールノーズ部での塑性変形量を把握することを行ってから、特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係をリアルタイムで検出しつつ、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルク増分を回転数増分で除してトルクの傾きを求め、該トルクの傾きを監視しつつ該トルクの傾きが最大値を示し、その後該トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止することを行う（図１参照）。すなわち、本発明法は、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止する。
【００１７】
たとえば、後述する実施例の場合、有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）を行い、トルクの傾きの最大値から低下させる所定値をトルクの傾きの最大値×０．１とした。
一方、従来法は、検出した回転数とトルクの関係に基づき、締め付け停止位置を、イールド開始ポイントＣ点を超えないショルダー干渉域（ＢＣ間）の中間のオプチマムトルクに設定していた。
【００１８】
図２は、上記した本発明法と従来法とで、特殊ねじ継手のショルダー部が雄側のピンの先端部と接触するまで締め付け、シールノーズ部におけるシール性を比較した特性図である。本発明法によれば、有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）を行い、シールノーズ部での塑性変形量を把握してから、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルクの傾きが最大値から所定値だけ低下した時点で締め付けを停止するようにしたので、単位周長の接触面圧が発生しているシール領域の面積が従来法と比較して１０％以上広く、シールノーズ部におけるシール性が高いことがわかる。
【実施例】
【００１９】
寸法が外径100ｍｍ×肉厚12.6ｍｍである110ksiグレードの油井管（13％Ｃｒ鋼）に対し、本発明法を適用した。この油井管の管端に形成した雄側のピン１に締め付ける特殊ねじ継手を設計・製作し、実物の締め付けテストを行った結果、イールド・トルクはオプチマムトルク×1.4Ｎ・ｍであった。
また、有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）を行った結果、特殊ねじ継手の回転数とトルクの関係において、イールド・トルクに到達した後、それから特殊ねじ継手を約０．０５回転（＝０．０５×３６０度＝１８度）だけ回して締め付けてもシールノーズ部でのシール性に問題はなく、イールド・トルクに到達した後、それから特殊ねじ継手を０．０５回転を超えて締め付けると、シールノーズ部でのシール性が低下することがわかった。この結果から、イールド・トルクに到達した後、トルクの傾きの最大値から低下させる所定値は、検出した回転数とトルクの関係に基づき、トルクの傾きの最大値×０．１０とした。
【００２０】
上記した結果に基づき本発明法を適用したところ、図１に示したとおり、イールド開始ポイントＣ点からのトルク上昇量ａ＝イールド・トルク×０．０５Ｎ・ｍとすることができ、シールノーズ部で過大な塑性変形が生じるのを防止しつつシールノーズ部でのシール性を極限まで高めることができた。
これに対し、従来法による特殊ねじ継手の締め付け停止位置は、オプチマムトルクに達した時点であり、シールノーズ部で塑性変形が生じないよう、十分余裕代が見込まれている。
【符号の説明】
【００２１】
ｄ１  ピンのねじ径
ｄ２  カップリングのねじ径
Ｈ  シールノーズ部厚さ
ａ  イールド開始ポイントＣ点からのトルク上昇量
ｂ  シールノーズ部厚さ増大によるトルク上昇量
Ａ、Ａ’点  シール干渉開始ポイント
Ｂ、Ｂ’点  ショルダー干渉開始ポイント
Ｃ、Ｃ’点  イールド開始ポイント
１  ピン
２  特殊ねじ継手またはカップリング
３  ねじ部
４  シール部  
５  ショルダー部
ＴＦ、ＴＦ’  シールノーズ部におけるシールトルク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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